Что общего между диффузией и броуновским движением

Разница между броуновским движением и диффузией

В ключевое отличие между броуновским движением и диффузией заключается в том, что при броуновском движении частица не имеет определенного направления движения, тогда как при диффузии частицы будут пер

Содержание:

В ключевое отличие между броуновским движением и диффузией заключается в том, что при броуновском движении частица не имеет определенного направления движения, тогда как при диффузии частицы будут перемещаться от высокой концентрации к низкой.

Что такое броуновское движение?

Ботаник Роберт Браун представил концепцию броуновского движения в 1827 году. Он наблюдал пыльцевые зерна в воде под микроскопом и видел, что пыльцевые зерна перемещаются то тут, то там (случайное движение) в воде. Он назвал это движение броуновским движением. Однако Эйнштейн объяснил это движение.

Более того, изучая броуновское движение, мы можем предсказать некоторые свойства молекул воды, такие как скорость их движения. Точно так же частицы в воздухе также демонстрируют броуновское движение. Например, частица пыли в воздухе беспорядочно перемещается из-за столкновений с молекулами газа.

Что такое диффузия?

В чем разница между броуновским движением и диффузией?

Более того, еще одно существенное различие между броуновским движением и диффузией состоит в том, что диффузия происходит в соответствии с концентрацией или потенциальным химическим градиентом. Но броуновское движение такими факторами не управляется. Броуновское движение частицы происходит согласно движению других частиц в среде.

Ниже инфографика дает более подробную информацию о разнице между броуновским движением и диффузией.

Таким образом, ключевое различие между броуновским движением и диффузией заключается в том, что при броуновском движении частица не имеет определенного направления движения, тогда как при диффузии частицы будут перемещаться от высокой концентрации к низкой. Однако в обоих сценариях движение частиц является случайным.

Источник

Сравнительный анализ явлений: диффузии и броуновского движения

Презентация к уроку

Тип урока: теоретическое объяснение материала с применением учебного электронного издания, практическое применение знаний в самостоятельном анализе изучаемых физических явлений.

Сопровождение:электронная презентация к уроку по обозначенной теме.

задача (повышенный уровень сложности):

Выполните опыт, результаты которого могут послужить обоснованием МКТ.

Вещество имеет дискретную структуру.

Диффузия (распространение, растекание — перевод с латинского).

Учитель: На основании особенностей теплового движения сформулируйте основные положения МКТ.

Все тела состоят из частиц;

Частицы движутся непрерывно и хаотично;

Частицы взаимодействуют с силами притяжения и отталкивания, которые проявляются одновременно, в зависимости от расстояния между частицами;

Абсолютная температура тела является мерой средней кинетической энергии движения частиц.

Т

— уравнение Больцмана, где — число степеней свободы.

Onр.2.Явление взаимного проникновения молекул одного вещества в межмолекулярное пространство другого вещества, вызванное тепловым движением молекул, называется диффузией.

_{в газахв жидкостив твердых телах}

3. Броуновское движение

Цитата из поэмы “О природе вещей” Лукреция Кара (99-55 г.г. до н.э.).

“Кроме того, потому обратить тебе надо вниманье
На суматоху в телах, мелькающих в солнечном свете,
Что из нее познаешь ты материи также движенья,
Происходящие в ней постоянно и скрытно от взора
Ибо увидишь ты там, как много пылинок меняют
Путь свой от скрытых толчков и опять отлетают обратно,
Всюду туда и сюда разбегаясь во всех направлениях”.

Римский философ и поэт Лукреций Кар обратил внимание на движение пылинок и в данном отрывке знаменитой поэмы “О природе вещей” правильно объяснил природу явления. Если перейти на язык физики, то данный отрывок представляется основными положениями МКТ в современной интерпретации.

Onр. Броуновское движение- это тепловое движение взвешенных частиц в жидкости или газе.

Историческая справка. В 1827 году английский ботаник Броун наблюдал в микроскоп движение цветочной пыльцы, взвешенной в воде. Объяснить увиденное он не смог.

Ответ:(проверить ответ на электронном источнике).

(на длине свободного пробега).

ИТОГ: диффузия и броуновское движение являются наиболее убедительнымдоказательством правильности молекулярно-кинетической теории строения вещества.

Л. Больцман: “А все-таки они движутся”.

Сравнительный анализ диффузии и броуновского движения.

Это тепловое движение частиц (непрерывность, хаотичность, неуничтожимость);

Зависят от температуры;

А. смещение броуновской частицы

— средний квадрат смещения броуновской частицы за время , – const, зависящая от формы и размеров частицы, N_A– число Авогадро, Т – абсолютная температура.

Б. модуль перемещения молекулы при диффузии за время :

Z – число столкновений, испытанных молекулой за время ,

— длина свободного пробега.

Вывод: смещение броуновской частицы и перемещение частиц при диффузии от начального положения пропорционально корню квадратному из времени смещения.

и

Явления происходят при непосредственном контакте частиц веществ.При диффузии происходит перенос вещества;

Диффузия наблюдается в твердых, жидких, газообразных веществах, а броуновское движение только в жидкостях и газах;

Комментарий:учащиеся в ходе дискуссии выявляют характерные признаки сходства и различия явлений броуновского движения и диффузии.

Используя информацию с заполненных дидактических листов, два учащихся на доске оформляют сравнительный анализ в виде таблицы.

Молекулы углекислого газа при нормальных условиях имеют среднюю длину свободного пробега м, движутся со средней квадратичной скоростью 362 . Сколько в среднем столкновений в секунду испытывает каждая молекула?

,

— проверка единиц измерений безразмерная величина

столкновений.

Решение домашней задачи:

?

Масса напыленного слоя:

Масса вещества в атомарном пучке:

, где

масса одной частицы (атома)

,

748 сек=12 мин 28 сек.

Ответ (комментированный):для нанесения на стекло слоя серебра толщиной 5 мкм будет затрачено 12 мин 28 сек.

Ответ на проблемный вопрос: “Сливки на молоке отстоятся быстрее в холодном помещении, т.к. скорость диффузии с понижением температуры уменьшается, именно диффузия препятствует отделению сливок от молока.

Источник

Броуновское движение

7 класс, без форм заявки

Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат
(в правом нижнем углу экрана).

Молекулярно-кинетическая теория

Мы состоим из клеток, клетки состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из… Ладно, пока достаточно атомов. И молекулы, и атомы подчиняются законам, которые описаны в молекулярно-кинетической теории.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три основных положения:

Броуновское движение

Во второй половине ХIХ века в научных кругах разгорелась нешуточная дискуссия о природе атомов. На одной стороне дискуссии утверждали, что атомы — просто математические функции, удачно описывающие физические явления и не имеющие под собой реальной физической основы.С другой стороны настаивали, что атомы — это реально существующие физические объекты.

Самое смешное в этих спорах то, что за десять лет до их начала ботаник Роберт Броун уже провел эксперимент, который доказал физическое существование атомов. Вот, как это было:

Как Броун проводил эксперимент

Броун изучал поведение цветочной пыльцы под микроскопом и обнаружил, что отдельные споры совершают абсолютно хаотичные движения.

Представьте себе, что мы издалека наблюдаем, как плотная толпа людей толкает над собой большой мяч. Причём каждый толкает мяч, куда хочет. Мы не видим отдельных игроков, потому что поле далеко от нас, но мяч мы видим — и замечаем, что перемещается он очень беспорядочно.

Мяч постоянно меняет направление своего движения, и пойти в какую-нибудь определенную сторону не желает. Предсказать его местоположение через заданное время — нельзя.

Вот что-то похожее на это Броун увидел при изучении пыльцы.

В первую очередь он начал грешить на движение потоков воды или ее испарение, но проверив эту гипотезу, отмел ее. Проведя множество экспериментов, Броун установил, что такое хаотичное движение свойственно любым микроскопическим частицам — будь то пыльца растений, взвеси минералов или вообще любая измельченная субстанция. Но причины этого явления он выяснить не смог (не в обиду ботаникам, но все же, это не его специализация).

А теперь угадайте, кто смог применить этот эксперимент в доказательстве атомной теории строения вещества. Альберт Эйнштейн, кто же еще. Он объяснил его примерно так: взвешенная в воде спора подвергается постоянной «бомбардировке» со стороны хаотично движущихся молекул воды.

В среднем, молекулы воздействуют на нее со всех сторон с равной интенсивностью и через равные промежутки времени. Однако, как бы ни мала была частица, в силу чисто случайных отклонений сначала она получает импульс со стороны молекулы, ударившей ее с одной стороны, а затем — со стороны молекулы, ударившей ее с другой. И так далее.

Чуть позже, через 3 года после открытия Эйнштейна, в 1908 году французский физик Жан Батист Перрен провел серию опытов, которые подтвердили правильность эйнштейновского объяснения броуновского движения. Стало окончательно ясно, что наблюдаемое «хаотичное» движение броуновских частиц происходит вследствие межмолекулярных соударений. Поскольку вывод о том, что несуществующие в природе математические функции не могут привести к физическому взаимодействию, напрашивается сам собой, стало окончательно ясно, что спор о реальности атомов окончен: они существуют в природе.

Также, если еще раз посмотреть на второе положение молекулярно-кинетической теории, можно заметить, что броуновское движение очень хорошо его доказывает: Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!

Диффузия

Явление, которое доказывает первое и второе положения молекулярно-кинетической теории называется диффузия.

Диффузия в газах

Если в комнате открыть флакон с духами или зажечь ароматизированную свечу, то запах вскоре будет чувствоваться во всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы духов проникают между молекулами воздуха. На самом деле, в этом процессе очень большую роль играет такой вид теплопередачи, как конвекция, но и без диффузии не обошлось.

На самом деле, молекулы вокруг нас движутся очень быстро — со скоростью в сотни метров в секунду — это напрямую зависит от температуры.

Давайте проверим это сами несложным экспериментом:

Замерьте температуру воздуха в помещении. Распылите освежитель воздуха в одном углу, встаньте в другой и включите секундомер. А лучше проведите эксперимент вдвоем, чтобы один человек распылял, а другой включал секундомер — так не будет погрешности, но будет веселье 😉

Как только почувствуете аромат освежителя в противоположном от места распыления, выключите секундомер. Запишите результат измерения. А потом проветрите помещение и проделайте все то же самое. Время, через которое до вас дойдет запах, будет другим. Во втором случае аромат будет распространяться медленнее.

То есть, чем выше температура, тем больше скорость диффузии.

Диффузия в жидкостях

Если диффузия в газах происходит быстро — чаще всего за считанные секунды — то диффузия в жидкостях занимает минуты или в некоторых случаях часы. Зачастую это зависит от температуры (как и в эксперименте выше) и плотности вещества.

С диффузией в жидкостях вы встречаетесь, когда, например, размешиваете краску. Или когда смешиваете любые две жидкости, например, газировку с сиропом. Также из-за диффузии происходит загрязнение рек (да и в целом окружающей среды).

Ну или вот пример диффузии в жидкостях, с которым вы точно не встречались — акулы ищут свою жертву по запаху крови, который распространяется в океане за счет диффузии.

Диффузия в твёрдых телах

Диффузия в твёрдых телах происходит очень медленно. Например, при комнатной температуре (около 20 °С) за 4-5 лет золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1 мм.

Кстати, если вы проведете такой эксперимент, то увидите, что в свинец проникло малое количество золота, а свинец проник в золото на глубину не более одного миллиметра. Такое различие обусловлено тем, что плотность свинца намного выше плотности золота.

Этот процесс можно ускорить за счет нагревания, как в жидкостях и газах. Если на тонкий свинцовый цилиндр нанести очень тонкий слой золота, и поместить эту конструкцию в печь на неделю при температуре воздуха в печи 200 градусов Цельсия, то после разрезания цилиндра на тонкие диски, очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.

Источник

Броуновское движение

Нам известно, что все вещества состоят из огромного числа очень и очень маленьких частиц, которые находятся в непрерывном и беспорядочном движении. Откуда нам это стало известно? Как учёные смогли узнать о существовании настолько маленьких частиц, которые ни в один оптический микроскоп невозможно увидеть? И уж тем более, как им удалось выяснить, что эти частицы находятся в непрерывном и беспорядочном движении? В этом учёным помогли разобраться два явления — броуновское движение и диффузия. Об этих явлениях мы и поговорим более подробно.

2. Броуновское движение

Английский учёный Роберт Броун не был физиком или химиком. Он был ботаником. И он совсем не ожидал, что откроет столь важное для физиков и химиков явление. И он не мог даже подозревать о том, что в своих довольно простых экспериментах он будет наблюдать результат хаотичного движения молекул. А это было именно так.

Что же это были за эксперименты? Они были почти такие же, что делают ученики на уроках биологии, когда с помощью микроскопа пытаются рассмотреть, например, клетки растений. Роберт Броун хотел рассмотреть в микроскоп пыльцу растений. Рассматривая зёрна пыльцы в капле воды, он заметил, что зёрна не находятся в покое, а непрерывно дёргаются, будто они живые. Наверное, сначала он так и подумал, но будучи учёным, конечно же отбросил эту мысль. Ему не удалось понять, почему эти зёрна пыльцы ведут себя таким странным образом, но он описал всё увиденное, и это описание попало в руки физиков, которые тут же поняли, что перед ними наглядное доказательство непрерывного и беспорядочного движения частиц.

Объясняется это движение, описанное Броуном, следующим образом: зёрна пыльцы достаточно велики, так что мы можем увидеть их в обычный микроскоп, а вот молекулы воды мы не видим, но, в то же время, зёрна пыльцы достаточно малы, чтобы из-за ударов по ним молекул воды, окружающих их со всех сторон, они смещались то в одну, то в другую сторону. То есть этот хаотичный «танец» зёрен пыльцы в капле воды показывал, что молекулы воды непрерывно и беспорядочно с разных сторон ударяют по зёрнам пыльцы и смещают их. С тех пор непрерывное и хаотичное движение мелких твёрдых частичек в жидкости или газе стали называть броуновским движением. Важнейшей особенностью этого движения является то, что оно непрерывное, то есть не прекращается никогда.

Диффузия — это ещё один пример наглядного доказательства непрерывного и беспорядочного движения молекул. И заключается оно в том, что газообразные вещества, жидкости и даже твёрдые вещества, хотя и намного медленнее, могут самоперемешиваться друг с другом. К примеру, запахи различных веществ распространяются в воздухе даже в отсутствие ветра именно благодаря этому самоперемешиванию. Или вот ещё пример — если в стакан с водой бросить несколько кристаллов марганцовки и, не перемешивая воду, подождать около суток, то мы увидим, что вся вода в стакане будет окрашена равномерно. Это происходит из-за непрерывного движения молекул, которые меняются местами, и вещества постепенно перемешиваются самостоятельно без внешнего воздействия.

4. Свойства броуновского движения и диффузии

Когда учёные-физики стали более подробно рассматривать явление, описанное Робертом Броуном, они заметили, что, как и диффузию, этот процесс можно ускорить, повышая температуру. То есть в горячей воде и окрашивание с помощью марганцовки будет происходить быстрее, и движение мелких твёрдых частичек, к примеру, графитовой крошки или тех же зёрен пыльцы, происходит с большей интенсивностью. Это подтверждало тот факт, что скорость хаотичного движения молекул напрямую зависит от температуры. Не вдаваясь в подробности, перечислим, от чего может зависеть и интенсивность броуновского движения, и скорость протекания диффузии:

2) от рода вещества, в котором эти процессы происходят;

3) от агрегатного состояния.

То есть при равной температуре диффузия газообразных веществ протекает значительно быстрее, чем жидкостей, не говоря уже о диффузии твёрдых тел, которая происходит настолько медленно, что её результат, и то очень незначительный, можно заметить или при очень высоких температурах, или за очень большое время — годы или даже десятилетия.

5. Практическое применение

Диффузия и без практического применения имеет огромное значение не только для человека, но и для всего живого на Земле: именно благодаря диффузии в нашу кровь через лёгкие попадает кислород, именно посредством диффузии растения добывают из почвы воду, поглощают углекислый газ из атмосферы и выделяют в ней кислород, а рыбы дышат в воде кислородом, который из атмосферы посредством диффузии попадает в воду.

Явление диффузии применяется и во многих областях техники, причём именно диффузии в твёрдых телах. К примеру, есть такой процесс — диффузионная сварка. В этом процессе детали очень сильно прижимаются друг к другу, нагреваются до 800 °C и посредством диффузии происходит их соединение друг с другом. Именно благодаря диффузии земная атмосфера, состоящая из большого количества различных газов, не разделяется на отдельные слои по составу, а везде примерно однородна — а ведь будь иначе, мы вряд ли смогли бы дышать.

Существует огромное количество примеров влияния диффузии на нашу жизнь и на всю природу, которые может найти любой из вас, если захочет. А вот о применении броуновского движения мало что можно сказать, кроме того, что сама теория, которая описывает это движение, может применяться и в других, казалось бы совершенно не связанных с физикой, явлениях. К примеру, эту теорию используют для описания случайных процессов, с применением большого количества данных и статистики — таких, как изменение цен. Теория броуновского движения используется для создания реалистичной компьютерной графики. Интересно, что человек, заблудившийся в лесу движется примерно так же, как и броуновские частички — блуждает из стороны в сторону, многократно пересекая свою траекторию.

6. Методические рекомендации учителям

1) Рассказывая классу о броуновском движении и диффузии, необходимо сделать акцент на том, что эти явления не доказывают факт существования молекул, но доказывают факт их движения и то, что оно беспорядочное — хаотичное.

2) Обязательно обратите особое внимание на то, что это непрерывное движение, зависящее от температуры, то есть тепловое движение, которое не может прекратиться никогда.

3) Продемонстрируйте диффузию с помощью воды и марганцовки, дав задание наиболее любознательным ребятам провести подобный эксперимент в домашних условиях и делая фотографии воды с марганцовкой через каждый час-два в течение дня (в выходной дети это с удовольствием сделают, а фото пришлют вам). Лучше, если в подобном эксперименте будет две ёмкости с водой — холодной и горячей, чтобы можно было продемонстрировать наглядно зависимость скорости диффузии от температуры.

4) Попробуйте измерить скорость диффузии в классе с помощью, к примеру, дезодоранта — в одном конце класса распыляем небольшое количество аэрозоля, а в 3-5 метрах от этого места ученик с секундомером фиксирует время, через которое он почувствует запах. Это и весело, и интересно, и запомнится детьми надолго!

5) Обсудите с детьми понятие хаотичности и тот факт, что даже в хаотических процессах учёные находят некие закономерности.

Источник